楊 帥，高照良，李永紅，牛耀彬,，王 凱，白 皓，齊星圓，李玉亭婷

工程堆積體坡面植物籬的控蝕效果及其機(jī)制研究

楊 帥1,2，高照良1,3※，李永紅3，牛耀彬1,3，王 凱1，白 皓3，齊星圓3，李玉亭婷3

（1. 中國科學(xué)院水利部水土保持研究所，黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，楊凌 712100；2. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049； 3. 西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所，楊凌 712100）

工程堆積體極易產(chǎn)生水土流失，是生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土流失防治的重點(diǎn)。為探明工程堆積體植物籬控蝕效果和機(jī)理，通過野外模擬徑流沖刷試驗(yàn)，該文采用35、45、55 L/min 3種放水流量，對24°、28°、32°三種坡度的植物籬（H）及裸露對照小區(qū)（C）堆積體邊坡（20 m×5 m 標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)測小區(qū)）進(jìn)行模擬放水沖刷試驗(yàn)，選取產(chǎn)沙率、徑流含沙量、減沙量、徑流挾沙力、剪切力、剝蝕率和徑流功率等因子對堆積體坡面植物籬的控蝕效果及其機(jī)理進(jìn)行分析。結(jié)果表明：堆積體侵蝕時(shí)間段集中在產(chǎn)流中后期（10～32 min），侵蝕位置主要在坡面中上段（0～10 m），植物籬具有10%～45%的減沙效益，其控蝕能力與沖刷歷時(shí)之間存在二次函數(shù)的關(guān)系，臨界時(shí)間隨坡度和流量的增加而提前；植物籬坡面產(chǎn)流后期徑流含沙量超過裸坡，這與其在侵蝕過程中的“源-匯”轉(zhuǎn)變有關(guān)；植物籬可降低坡面土壤剝蝕率，提高坡面的臨界剪切力和臨界徑流功率，能抑制細(xì)溝向坡面下部的發(fā)育，基于徑流功率，其可蝕性參數(shù)（3.58 g/(N·m)）大于對照坡面的可蝕性參數(shù)（2.83 g/(N·m)）。研究結(jié)果可為坡面植物籬的合理利用提供一定的理論支撐，也能為工程堆積體措施條件下土壤侵蝕預(yù)報(bào)模型的建立提供部分參數(shù)支持。

土壤；侵蝕；徑流；工程堆積體；植物籬；放水流量

楊 帥，高照良，李永紅，牛耀彬，王 凱，白 皓，齊星圓，李玉亭婷. 工程堆積體坡面植物籬的控蝕效果及其機(jī)制研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33(15)：147－154. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.15.019 http://www.tcsae.org Yang Shuai, Gao Zhaoliang, Li Yonghong, Niu Yaobin, Wang Kai, Bai Hao, Qi Xingyuan, Li Yutingting. Erosion resistance effects and mechanism of hedgerows in slope of engineering accumulation[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(15): 147－154. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.15.019 http://www.tcsae.org

0 引 言

采礦工程、交通工程、水電工程等生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目在施工及生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生排土場、排矸場、尾礦庫等各類工程堆積體[1]，而堆積體的土壤侵蝕模數(shù)遠(yuǎn)高于自然坡面，實(shí)驗(yàn)表明其侵蝕產(chǎn)沙量可以達(dá)到自然裸露荒坡的10.08～12.20倍[2]，因而，工程堆積體的水土流失防控成為生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持工作的重點(diǎn)[3]。植物措施通常被認(rèn)為是防治土壤侵蝕的最根本措施，而植物籬作為一種有效的水土保持措施已在各類坡耕地中得到廣泛應(yīng)用[4]。大量研究表明，植物籬有明顯的減流減沙效益[5-8]，魏忠義等[9]針對工程堆積體提出的“徑流分散”控蝕模式中，將等高植物籬作為徑流分散單元的重要組成部分。Donjadee等[10]研究植物籬影響下的產(chǎn)流產(chǎn)沙回歸方程，已取得了較好的預(yù)測效果。此外，國內(nèi)外許多學(xué)者對植物籬控蝕保水的機(jī)理也進(jìn)行了有益的探索，Rachman等[11]認(rèn)為植物籬能提高土壤導(dǎo)水率及入滲能力；卜崇峰等[12]認(rèn)為植物籬通過改變坡面徑流流速分布從而影響了徑流侵蝕量；許峰等[4]認(rèn)為經(jīng)過較長時(shí)間，植物籬對微地貌的改變進(jìn)而對其減沙效果有一定貢獻(xiàn)；Akram等[13]從水動力學(xué)角度，研究了植物籬對坡面流的徑流功率、地表糙率和阻力系數(shù)的影響。目前，已有研究主要集中于以緩坡耕地為下墊面，探究植物籬措施的合理配置模式及其減流減沙過程和機(jī)制，且大多試驗(yàn)研究集中在緩坡模擬沖刷和室內(nèi)裝填土槽中，而對野外陡坡原位小區(qū)的侵蝕研究相對較少，對于陡坡工程堆積體坡面植物籬的應(yīng)用方法、防治效果及其控蝕機(jī)制研究也少有報(bào)道。

本文對野外工程堆積體陡坡徑流小區(qū)植物籬措施下的徑流沖刷過程進(jìn)行放水沖刷試驗(yàn)，探究植物籬措施對工程堆積體陡坡坡面的控蝕效果及機(jī)制，以期為建設(shè)項(xiàng)目實(shí)踐過程中植物籬措施的合理選擇和配置利用提供理論及技術(shù)依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)小區(qū)概況

本試驗(yàn)區(qū)位于中國科學(xué)院長武黃土高原農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗(yàn)站王東溝小流域（35°14′24.5″N，107°40′21.2″E），海拔1 107 m，屬暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候，年均降水量584 mm，降雨季節(jié)分布不均勻，多集中于7－9月，年均氣溫9.1 ℃，光照資源充沛，晝夜溫差大，地下水位50～80 m，無霜期171 d。該區(qū)屬典型黃土高原溝壑區(qū)，地帶性土壤為黑壚土，土壤母質(zhì)為中壤質(zhì)馬蘭黃土。試驗(yàn)小區(qū)在人工開挖面上構(gòu)建，開挖面達(dá)到了土壤母質(zhì)層。試驗(yàn)小區(qū)經(jīng)現(xiàn)場機(jī)械開挖后進(jìn)行人工回填，回填土壤來自周邊高陡邊坡開挖產(chǎn)生的棄土，回填前清除棄土中雜草和有機(jī)殘落物層，使其更接近工程堆積體真實(shí)情況并避免土壤中根系影響試驗(yàn)效果。試驗(yàn)小區(qū)為標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū)（坡面投影長20 m，寬5 m），覆土厚度0.5 m。堆積體土壤質(zhì)地為砂壤，土石比超過9:1，粒徑多在1 mm以下。對回填棄土進(jìn)行土壤粒徑分析，首先對＞0.25 mm的顆粒進(jìn)行干篩，取孔徑0.25、1、2、5 mm 4個(gè)土篩，對各篩中土樣稱質(zhì)量，將＜0.25 mm的土壤樣在實(shí)驗(yàn)室用吸管法進(jìn)行測量，其土壤機(jī)械組成為：＞5、5～2、2～1、1～0.25、0.25～0.1、0.1～0.05、0.05～0.02、0.02～0.01、0.01～0.005、0.005～0.002、0.002～0.001和＜0.001 mm質(zhì)量分?jǐn)?shù)依次為0.04%、0.11%、0.13%、0.21%、0.30%、6.83%、34.35%、24.52%、10.06%、6.10%、5.02%和12.33%。本試驗(yàn)采用徑流沖刷方式，用穩(wěn)壓水箱保持放水流量恒定，調(diào)節(jié)閥與水表配合進(jìn)行率定流量，通過穩(wěn)流槽獲得平穩(wěn)、恒定的出流。試驗(yàn)小區(qū)及模擬徑流放水裝置示意圖見圖1，試驗(yàn)供水用王東溝民用水井。

圖1 試驗(yàn)設(shè)備示意圖Fig.1 Device sketch for experiments

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與過程

根據(jù)試驗(yàn)區(qū)1a中發(fā)生的最大暴雨強(qiáng)度，并結(jié)合前期放水試驗(yàn)的研究成果，設(shè)置35、45、55 L/min共3個(gè)放水流量梯度（對應(yīng)雨強(qiáng)分別為24、31、38mm/h）。由前期野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)工程堆積體邊坡坡度集中在23°～40°，因此試驗(yàn)設(shè)計(jì)邊坡坡度為24°、28°和32°，每個(gè)坡度設(shè)置一個(gè)植物籬小區(qū)（H）并同時(shí)設(shè)置裸坡小區(qū)作為對照（C），每個(gè)小區(qū)在其他相同條件下依次按3個(gè)放水流量梯度進(jìn)行沖刷，共計(jì)18場試驗(yàn)。

試驗(yàn)小區(qū)布設(shè)見圖2，植物籬小區(qū)內(nèi)布置4道植物籬，籬間距4 m，從距離坡頂3 m處開始布設(shè)。從坡頂?shù)狡碌装凑?、4、4、6 m的長度將坡面分為4個(gè)區(qū)段，從上至下編號為1～4，使植物籬小區(qū)每個(gè)區(qū)段內(nèi)均包含一道植物籬，以便于對比分析對照坡面和植物籬小區(qū)細(xì)溝侵蝕分布的差異。每場試驗(yàn)結(jié)束后，通過測量細(xì)溝尺寸計(jì)算細(xì)溝體積，以此反映細(xì)溝侵蝕量。

依據(jù)黃土高原植被建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，本試驗(yàn)選取紫穗槐和紫花苜蓿構(gòu)建植物籬帶。為給植物提供較好的生長條件并利于前期種植，試驗(yàn)以水平階整地，構(gòu)建植物籬寬60 cm。試驗(yàn)前1 a以株距20 cm栽植紫穗槐幼苗，試驗(yàn)當(dāng)年以67 kg/hm2的密度播種紫花苜蓿，以保證至試驗(yàn)前籬帶內(nèi)覆蓋率達(dá)到90%；每次試驗(yàn)前對坡面進(jìn)行重新平整，并控制土壤容重和含水率（分別選取5個(gè)觀測斷面0～20 cm土壤容重和含水率，土壤容重介于1.30～1.40 g/cm3，均值1.33 g/cm3，變異系數(shù)為4.52%；土壤質(zhì)量含水率介于15.22%～17.88%，均值16.52%，變異系數(shù)5.98%）。每小區(qū)設(shè)置5個(gè)測量斷面，分別為距坡頂2、6、10、14、18 m的位置。試驗(yàn)從有徑流流出小區(qū)時(shí)開始計(jì)時(shí)，持續(xù)39 min，最初6 min內(nèi)每隔2 min，其后每隔3 min測定1次渾水總量并收集徑流泥沙樣，同時(shí)在每個(gè)測量斷面處測定對應(yīng)時(shí)刻的水寬及流速。烘干法測定樣品中的含沙量，高錳酸鉀示蹤法測定流速（染色劑法測定流速為徑流表層流速，實(shí)測流速乘以0.75作為斷面平均流速）。

圖2 徑流小區(qū)布置示意圖Fig.2 Schematic diagram of runoff plot

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

1）減沙效益η利用無量綱的坡面徑流、減沙效益，可更方便對不同調(diào)控措施進(jìn)行對比，更客觀反映出不同措施對坡面降雨徑流、產(chǎn)沙的調(diào)控作用[14]。本文采用減沙效益來表征不同坡度及流量下植物籬的控蝕效果

式中η為減沙效益；Mc為對照小區(qū)累積產(chǎn)沙量，kg；Mh為植物籬小區(qū)累積產(chǎn)沙量，kg。

2）累積減沙量Mr指相對于對照坡面，植物籬坡面的減沙量隨放水歷時(shí)延長的變化。累積減沙量可反映隨著放水歷時(shí)的延長，植物籬減沙能力的動態(tài)變化。

式中Mr為累積減沙量，kg；Mc(t)為沖刷歷時(shí)t時(shí)刻時(shí)對照小區(qū)的累積產(chǎn)沙量，kg；Mh(t)沖刷t時(shí)刻時(shí)植物籬坡面的累積產(chǎn)沙量，kg。

3）徑流挾沙力ρ反映了單位體積徑流可以挾帶的最大泥沙量，可用M·A·雅里加諾夫公式計(jì)算[15]：

式中F為水流挾沙能力，kg/m3；h為徑流水深，m；v為徑流速度，m/s；α為降雨紊動系數(shù)，ω為泥沙沉速，m/s。本試驗(yàn)因無降雨影響，α取值為1，同一堆積體的泥沙性質(zhì)一致，因此試驗(yàn)中ω為定值；為簡化計(jì)算，以β=v3/h表征徑流挾沙能力，用q/β（q為徑流含沙量）反映坡面可蝕性的大小。

4）土壤剝蝕率Dr表示單位時(shí)間內(nèi)單位面積上被剝蝕土壤的質(zhì)量，是反映土壤侵蝕量化和土壤侵蝕預(yù)報(bào)研究的重要指標(biāo)[16]，其計(jì)算公式為：

式中Dr為土壤剝蝕率，kg/(m2·s)；M為時(shí)段內(nèi)的產(chǎn)沙量，kg；b為過水?dāng)嗝鎸?，m；L為坡長，m；T為取樣的時(shí)間間隔，s。

5）徑流剪切力τ表征徑流沖刷動力，反映了徑流對土壤顆粒的推動力，可從動力學(xué)角度揭示坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的變化規(guī)律，其計(jì)算公式為[17]：

式中τ為水流剪切應(yīng)力，Pa；ρ為渾水密度，kg/m3；R為水力半徑，m，由于坡面水流為薄層水流，可以用平均水深h代替。

6）平均水深h由于整個(gè)試驗(yàn)過程中全部為面蝕和細(xì)溝侵蝕階段，斷面水深較小，直接測定誤差較大，因此采用計(jì)算公式為[18]：

式中Q1、Q2分別為T時(shí)間段內(nèi)進(jìn)入該斷面以上區(qū)域的水量和入滲量，m3；V為水流平均流速，m/s，其他符號意義同前。

7）徑流功率P由Bagnold提出，表征徑流損失能量而做功的速率，是影響土壤侵蝕的重要水力學(xué)參數(shù)，能準(zhǔn)確預(yù)測徑流的分離能力[18]，其表達(dá)式為：

P=τv （7）

式中P為水流功率，N/(m·s)，其他符號意義同前。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 不同流量、坡度下植物籬對減沙效益的影響

將不同坡度、流量下植物籬的減沙效益情況點(diǎn)繪于圖3，由圖可知，3個(gè)坡度的減沙效益均在15%～45%之間，且植物籬的減沙能力隨坡度的增大而減弱。而植物籬在單一坡度下，其在放水流量為35 L/min時(shí)減沙效果最好，在單一流量下，其減沙效益隨著坡度的增加而明顯減小。綜上所述：在不同流量、坡度條件下植物籬對坡面徑流泥沙都有明顯的控蝕作用，且其控蝕效果隨坡度、放水流量的減小而增強(qiáng)（放水流量55 L/min時(shí)除外，其植物籬的減沙能力較45 L/min時(shí)的減沙能力整體要強(qiáng)，表明植物籬的控蝕能力可能存在一個(gè)臨界放水流量，本試驗(yàn)3個(gè)放水流量中45 L/min可近似看作其臨界放水流量，具體臨界放水流量還需進(jìn)一步試驗(yàn)分析）。在堆積體坡面植物籬措施布設(shè)時(shí)要綜合考慮流量和坡度的影響，以發(fā)揮植物籬對坡面侵蝕泥沙最大的控蝕效果。

圖3 不同流量、坡度下植物籬的減沙效益Fig.3 Sediment reduction benefit of hedgerow under different runoff discharge and gradient

2.2 植物籬對坡面徑流泥沙過程的影響

2.2.1 植物籬對坡面產(chǎn)流、產(chǎn)沙過程的影響

模擬降雨下的上方來水是坡面徑流形成的主要因素，不同放水流量影響著徑流及產(chǎn)沙的強(qiáng)弱，而徑流產(chǎn)流率和含沙量是表征徑流隨沖刷時(shí)間變化的直觀變量。將32°植物籬和對照坡面在不同放水強(qiáng)度下產(chǎn)流率和含沙量隨時(shí)間的變化情況點(diǎn)繪于圖4和圖5。

圖4為32°植物籬和對照坡面在不同放水流量下產(chǎn)流率隨放水歷時(shí)的變化情況，在產(chǎn)流前10 min產(chǎn)流率增長較快，隨沖刷歷時(shí)的推移，坡面產(chǎn)流過程趨于穩(wěn)定，植物籬坡面初始產(chǎn)流時(shí)間均滯后于對應(yīng)流量的對照坡面，且其產(chǎn)流率始終小于對照坡面。這是因?yàn)橹参锘h帶機(jī)械攔擋作用可以攔截部分水沙，同時(shí)其對土壤性質(zhì)的改良可使土壤入滲能力增強(qiáng)，坡面蓄滿產(chǎn)流所需的水量增加，致使植物籬坡面初始產(chǎn)流時(shí)刻較對照小區(qū)要滯后2～10 min，這種滯后現(xiàn)象是植物籬控蝕能力的重要組成部分[19]，但植物籬和對照坡面的產(chǎn)流率之差不能解釋累積減沙量出現(xiàn)臨界值的現(xiàn)象。

圖4 32°小區(qū)產(chǎn)流率隨時(shí)間變化Fig.4 Changes of runoff rate with time in 32°plot

圖5為32°植物籬和對照坡面在不同放水流量下含沙量隨時(shí)間的變化情況，在坡面的產(chǎn)流初期，植物籬較對照坡面的徑流含沙量整體上要小，但在產(chǎn)流末期，前者反而超過后者。因此，在后期產(chǎn)流率穩(wěn)定的條件下，2種坡面徑流含沙量差異的變化引起了植物籬減沙能力的減弱，導(dǎo)致累積減沙量降低。因此，對于堆積體不同坡度和當(dāng)?shù)亟涤陾l件，在植物籬的實(shí)際運(yùn)用中，要達(dá)到一定的控蝕減沙效果，需要按具體條件配置不同規(guī)格的植物籬，結(jié)合Donjadee等的研究成果[10,20]，在大坡度大雨強(qiáng)的情況下，需要通過減少植物籬布設(shè)間距方式以提高植物種植密度來增強(qiáng)控蝕效果。

圖5 32°小區(qū)徑流含沙量隨時(shí)間變化Fig.5 Changes of sediment concentration with time in 32°plot

2.2.2 植物籬累積減沙量與沖刷歷時(shí)的關(guān)系

將不同坡度、不同流量條件下，植物籬坡面累積減沙量隨時(shí)間的變化狀況點(diǎn)繪于圖6。

圖6 累積減沙量與沖刷歷時(shí)的關(guān)系Fig.6 Relationship between sediment reduction amounts and duration of discharge

由圖6可知，植物籬坡面的累積減沙量隨放水歷時(shí)的變化整體呈現(xiàn)出前期迅速增加，而后逐漸減小或漸趨穩(wěn)定的過程。從放水流量因子分析，植物籬累積減沙量隨放水流量增加整體呈現(xiàn)先降低后增加趨勢，表明植物籬減沙效果隨流量因子具有一定的變異性，其累積減沙量存在一個(gè)臨界放水流量，在本試驗(yàn)中臨界放水流量為45 L/min；而從坡度因子分析，植物籬累積減沙量隨放水流量增加其變化趨勢存在差異，其存在臨界坡度，本試驗(yàn)中臨界坡度為28°，同時(shí)，在大坡度條件下的產(chǎn)流末期，植物籬小區(qū)的減沙效果有所下降，這主要是由于大坡度條件下，植物籬后期“匯源”機(jī)制轉(zhuǎn)變明顯及可能存在的水毀現(xiàn)象所致，進(jìn)一步驗(yàn)證了減緩邊坡坡度是減少水土流失的重要策略。擬合不同流量、坡度條件下累積減沙量與沖刷歷時(shí)的關(guān)系，得出累積減沙量與沖刷歷時(shí)之間存在較好的二次函數(shù)關(guān)系，見表1，表明植物籬的累積減沙量在時(shí)間尺度上可能存在臨界值，這與石生新等對坡面水土保持措施的研究結(jié)果類似[21]。

表1 不同流量、坡度下累積減沙量（Mr）與沖刷歷時(shí)（t）的關(guān)系Table 1 Relationship between accumulated amount of sediment reduction and time

2.3 徑流含沙量與挾沙力的關(guān)系

徑流含沙量與挾沙能力的比值可反映坡面徑流從坡面實(shí)際分離的泥沙與理論挾沙能力之間的相對大小，從而體現(xiàn)坡面可蝕性的大小。由圖6可知，在32°坡面，植物籬坡面的累積減沙量在產(chǎn)流末期出現(xiàn)明顯下降，故以該坡度為例。圖7為32°坡面3種放水流量下產(chǎn)流結(jié)束前15 min內(nèi)q/β的變化狀況。

圖7 32°小區(qū)產(chǎn)流結(jié)束前15 min平均q/β值對比Fig.7 Average of q/β in 15 min before runoff end in 32°plot

由7圖可知，植物籬的q/β值要明顯大于對照坡面，表明植物籬的坡面徑流可以獲得相對更多的泥沙補(bǔ)充。其原因可總結(jié)為植物籬坡面在侵蝕過程中的“匯-源”轉(zhuǎn)變機(jī)制：在產(chǎn)流初期，坡面徑流經(jīng)過植物籬帶時(shí)，由于土壤滲透能力與坡面阻力的陡增，泥沙的運(yùn)動載體（水）及其能量（動能）發(fā)生較大損耗，徑流挾沙力下降，致使分離土壤能力減弱，導(dǎo)致泥沙發(fā)生沉積，成為侵蝕過程的“匯”區(qū)；而隨放水歷時(shí)的推移，植物籬帶內(nèi)土壤水分漸趨飽和，增加徑流水分入滲的能力逐漸變?nèi)酰瑥搅鹘?jīng)過時(shí)不再發(fā)生水量的損耗，隨著侵蝕的持續(xù)發(fā)展，特別是隨著坡面上部細(xì)溝的發(fā)育逐漸完善，試驗(yàn)中可見徑流變清，徑流含沙量下降，當(dāng)坡面徑流經(jīng)過植物籬時(shí)，前期淤積的泥沙顆粒與對照坡面泥沙顆粒相比更為松散，抗蝕能力差，反而提供了充足的泥沙來源，轉(zhuǎn)變?yōu)楹罄m(xù)侵蝕中的“源”區(qū)。綜上所述，侵蝕過程中的“源-匯”轉(zhuǎn)變機(jī)制使得植物籬在產(chǎn)流后期控蝕減沙效果減弱，甚至出現(xiàn)植物籬的產(chǎn)沙量大于對照坡面的情況，導(dǎo)致其累積減沙量下降。因此在植物籬帶的實(shí)際應(yīng)用中，可考慮在與其緊鄰的下邊緣布置一道攔沙埂，提高水沙的過水?dāng)嗝?，使植物籬攔蓄的泥沙有更大的沉積空間，避免植物籬由“匯”向“源”的轉(zhuǎn)變。

2.4 植物籬對侵蝕動力調(diào)控過程的影響

2.4.1 剝蝕率與徑流剪切力的關(guān)系

將試驗(yàn)過程中徑流剪切力與坡面剝蝕率的關(guān)系變化情況點(diǎn)繪于圖8，由圖可知，植物籬坡面的剝蝕率和徑流剪切力分別集中在1.5～8 g/(m2·s)和2.5～6 N/m2之間，而對照坡面的剝蝕率和徑流剪切力分別集中在3～10 g/m2·s和4～8 N/m2之間，表明植物籬減少了侵蝕動力，進(jìn)而降低了坡面的侵蝕程度，這與肖培青等對植草坡面的研究結(jié)果相符[22]。

將剝蝕率與剪切力進(jìn)行回歸分析可知二者之間具有較好的線性關(guān)系，見圖8，這與Foster等提出的徑流分散能力表達(dá)式M=k(τ?τ0)的擬合公式[23]相類似，反映出當(dāng)坡面徑流剪切力達(dá)到一定值時(shí)，坡面土壤才會產(chǎn)生剝蝕，即臨界剪切力。植物籬坡面的小區(qū)臨界剪切力達(dá)到1.22 N/m2，而對照坡面的臨界剪切力只有0.98 N/m2，表明植物籬提高了堆積體坡面的抗蝕性；同時(shí)，由擬合關(guān)系可知，植物籬剝蝕率隨剪切力的變化率要大于對照坡面，即植物籬小區(qū)的可蝕性參數(shù)（1.46 g/(N·s)）大于對照小區(qū)（1.33 g/(N·s)），表明隨著剪切力的增大，同樣的徑流剪切力對植物籬和對照坡面的剝蝕能力越來越接近，在超過一定的剪切力時(shí)，植物籬坡面徑流的剝蝕能力超過了對照坡面，由2個(gè)擬合公式（圖8）可求得，該剪切力大小在3.68 N/m2左右。

圖8 剝蝕率與剪切力之間的關(guān)系Fig.8 Relationship between soil detachment rate and runoff shear stress

2.4.2 剝蝕率與水流功率的關(guān)系

王瑄、黃茹等在不同下墊面下分別用冪函數(shù)和一次函數(shù)對水流功率和剝蝕率進(jìn)行擬合，得到了較好擬合效果[24-25]。將試驗(yàn)過程中剝蝕率與水流功率關(guān)系的變化情況點(diǎn)繪于圖9，由圖可知，植物籬將坡面徑流功率由1.2～3.1 N/(m·s)降低到0.8～2.1 N/(m·s)。擬合植物籬和對照坡面的剝蝕率和徑流功率之間的關(guān)系，得到剝蝕率和徑流功率之間具有較好的線性關(guān)系，見圖9，其體現(xiàn)了坡面的臨界水流功率，植物籬坡面的臨界功率（0.19 N/(m·s)）大于對照坡面的臨界功率（0.03 N/m·s），同剝蝕率和剪切力的擬合結(jié)果類似，植物籬坡面的可蝕性參數(shù)（3.58 g/N·m）較對照（2.83 g/N·m）大，表明隨著徑流功率的增大，同樣的徑流功率對植物籬和對照坡面的剝蝕能力越來越接近，在超過一定的徑流功率時(shí)，植物籬徑流的剝蝕能力超過了對照坡面，由2個(gè)擬合公式（圖9）可以求得，該徑流功率大小在0.79 N/m·s左右。

圖9 剝蝕率與徑流功率之間的關(guān)系Fig.9 Relationship between soil denudation rate and runoff power

2.5 植物籬對坡面細(xì)溝分布的影響

將32°坡面4個(gè)區(qū)段細(xì)溝所占比例繪于圖10，由圖可知，在各放水流量下區(qū)段1內(nèi)產(chǎn)生的細(xì)溝侵蝕量所占比例最高，均達(dá)到60%以上，這與李鵬等在沖刷下得到的結(jié)果相符[26]，王瑄等利用REE示蹤法對坡面細(xì)溝侵蝕的空間分布進(jìn)行分析后也得到了類似結(jié)果[27]，但與鄭良勇等[28]在降雨條件下的所得試驗(yàn)結(jié)果不同。原因可能是在沖刷試驗(yàn)中，水流在坡面頂部進(jìn)入坡面時(shí)的流量最大，而并非單獨(dú)的降雨過程需要一定的匯流坡長，故沖刷試驗(yàn)溝頭出現(xiàn)在坡面頂部，隨著徑流的入滲及受到的沿程阻力，坡面徑流能量逐漸消耗，并且徑流含沙量的增加使其分離能力減弱。

圖10 32°坡面細(xì)溝侵蝕分布狀況Fig.10 Distribution of 32° degrees of rill erosion

由圖10可知，放水流量從35 L/min增加到55 L/min，植物籬和對照坡面2～4區(qū)段內(nèi)的細(xì)溝侵蝕所占比例整體呈增加趨勢（放水流量55 L/min除外）。原因?yàn)殡S著放水流量的提高，水流功率增大，在同樣的放水沖刷歷時(shí)下，坡面徑流對土壤顆粒的能量輸入增加，水流剪切力增大，細(xì)溝向下發(fā)育將愈加充分。植物籬較對照坡面區(qū)段1內(nèi)的細(xì)溝侵蝕量所占比例更大。這是由于植物籬的攔擋作用使坡面徑流受到的阻力瞬間增大，流速降低，侵蝕能力下降，抑制了細(xì)溝的沿程發(fā)育，進(jìn)而使坡面下部的細(xì)溝侵蝕比例相應(yīng)減少。綜上所述，在植物籬實(shí)際運(yùn)用中，可以對植物籬采取非均勻布設(shè)方式以達(dá)到有針對性防治細(xì)溝侵蝕的目的，即相應(yīng)提高坡面上部植物籬的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，如縮小植物籬間距、增加寬度及植物的種植密度等，而坡面下部的標(biāo)準(zhǔn)可適當(dāng)降低，在控制整體工程成本的前提下，提升植物籬的對堆積體坡面的控蝕效果。

3 討 論

生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目數(shù)量的增加必然產(chǎn)生數(shù)量巨大的棄土棄渣，及時(shí)有效的攔蓄坡面徑流是防治堆積體水土流失的關(guān)鍵，植物籬作為一種有效地防護(hù)措施是減少坡面侵蝕的重要舉措。在放水沖刷過程中，各小區(qū)產(chǎn)流率表現(xiàn)出明顯的波動性，特別是在裸露對照小區(qū)，產(chǎn)流后期波動更為明顯，植物籬坡面產(chǎn)流量較少且較對照坡面更穩(wěn)定，這與張樂濤[29]，郭建英等[30]研究：放水沖刷試驗(yàn)較降雨試驗(yàn)產(chǎn)流過程波動性要大，裸露坡面入滲量在各雨強(qiáng)下均小于植物坡面。許多學(xué)者對植物籬的減流減沙效益進(jìn)行了研究。Donjadee等[31]對緩坡地的研究表明，植物籬的減流減沙效益隨坡度的增加而增加。而本試驗(yàn)在工程堆積體邊坡研究發(fā)現(xiàn)，植物籬減沙效益隨著坡度的增加而明顯減小，這主要是由于堆積體坡度較陡，在坡面徑流過程中重力作用隨坡度增加而愈加劇烈，導(dǎo)致坡面細(xì)溝溝壁發(fā)生崩坍和通過攔蓄作用形成的植物籬前淤積帶發(fā)生水毀的機(jī)率增加，這與杜捷等對堆積體的研究結(jié)果相似[32]；擬合不同流量、坡度條件下植物籬累積減沙量與沖刷歷時(shí)的關(guān)系，得出累積減沙量與沖刷歷時(shí)之間存在較好的二次函數(shù)關(guān)系，見表1，表明植物籬的累積減沙量在時(shí)間尺度上可能存在臨界值，本試驗(yàn)中部分場次的二次函數(shù)關(guān)系曲線在沖刷歷時(shí)內(nèi)并未完全展現(xiàn)，這可能是由于本試驗(yàn)沖刷歷時(shí)未達(dá)到部分沖刷場次的臨界值，在后續(xù)試驗(yàn)中可延長沖刷歷時(shí)對該結(jié)論做進(jìn)一步驗(yàn)證；同時(shí)，植物籬的控蝕能力可能存在一個(gè)臨界放水流量和臨界坡度，本試驗(yàn)中45 L/min和28°可近似看做其臨界放水流量及臨界坡度，具體臨界值還需進(jìn)一步進(jìn)行試驗(yàn)分析驗(yàn)證。

在試驗(yàn)坡度和流量條件下，本文用剝蝕率、徑流功率和徑流剪切力等水動力學(xué)參數(shù)的關(guān)系來分析植物籬對侵蝕動力調(diào)控過程影響。對于對照坡面，剝蝕率與徑流功率的擬合效果要好于與剪切力的擬合效果，這與張樂濤等對工程堆積體的研究結(jié)果一致[18]；而對于植物籬坡面，徑流功率理論的預(yù)測效果要弱于徑流剪切力。這可能的原因是：根據(jù)徑流功率的計(jì)算公式，徑流功率理論相當(dāng)于在剪切力的基礎(chǔ)上強(qiáng)化了徑流流速的影響因素，更能全面反應(yīng)裸坡侵蝕的真實(shí)情況；但對植物籬小區(qū)而言由于對下墊面的局部改變，使得流速的沿程變化更加復(fù)雜，實(shí)際試驗(yàn)中的流速測量方法無法對局部的突變進(jìn)行準(zhǔn)確反應(yīng)，從而降低了徑流功率理論的有效性。

本文由于野外模擬沖刷試驗(yàn)，限于野外條件及時(shí)間、資金，試驗(yàn)存在一定不足，試驗(yàn)設(shè)置除部分場次做了重復(fù)外，大多場次是通過精密控制進(jìn)行測量，放水沖刷時(shí)間偏短，植物籬措施的配置模式相對比較單一，細(xì)溝形態(tài)發(fā)育需進(jìn)一步分析研究，后期研究可以從增加植物籬配置模式著手，延長放水沖刷時(shí)間，進(jìn)一步研究產(chǎn)流產(chǎn)沙、水動力學(xué)參數(shù)及細(xì)溝發(fā)育形態(tài)之間的關(guān)系，為工程堆積體植物籬措施的優(yōu)化配置及侵蝕預(yù)報(bào)模型的建立提供理論參考。

4 結(jié) 論

1）綜合來看，工程堆積體坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的時(shí)空變化規(guī)律為：坡面徑流侵蝕時(shí)段主要集中在產(chǎn)流中后期（10～32 min），侵蝕的位置主要在坡面中上段（0～10 m），即本試驗(yàn)坡面的第1、2區(qū)段；而植物籬對坡面侵蝕泥沙過程的影響表現(xiàn)為：植物籬具有10%～45%的減沙效益，其控蝕能力隨著徑流沖刷歷時(shí)的延長存在最大值，二者之間可用二次函數(shù)進(jìn)行較好擬合。在本試驗(yàn)條件下，植物籬減沙效果隨流量、坡度因子均具有一定的變異性，其臨界坡度為28°，臨界放水流量為45 L/min，該結(jié)論可以為不同坡度、雨強(qiáng)條件下工程堆積體植物籬的合理利用提供參考；

2）徑流含沙量的時(shí)序變化是植物籬控蝕能力存在時(shí)間限制的重要原因。從實(shí)際含沙量與徑流挾沙能力的比值可以發(fā)現(xiàn)植物籬與坡面徑流輸沙的“匯-源”關(guān)系，在侵蝕過程中，這種“匯-源”轉(zhuǎn)變機(jī)制使得植物籬在產(chǎn)流后期減沙效果減弱，為避免在徑流沖刷的后期，植物籬淤積的泥沙成為坡面產(chǎn)沙的“源”區(qū)，可以考慮為植物籬下部加入攔沙埂等措施，該結(jié)論可以為坡面植物籬與其它措施的配置優(yōu)化提供理論依據(jù)。

3）本試驗(yàn)中，植物籬降低了坡面土壤剝蝕率、徑流剪切力等侵蝕動力學(xué)參數(shù)，同時(shí)，將臨界剪切力和臨界功率分別提高了0.25倍和5倍；擬合剝蝕率與徑流功率之間的關(guān)系得植物籬坡面的可蝕性參數(shù)（3.58 g/(N·m)）較對照（2.83 g/(N·m)）大；植物籬通過降低坡面徑流能量，削弱徑流侵蝕動力，提高了坡面的抗侵蝕能力，該結(jié)論可以為植物籬措施下工程堆積體土壤侵蝕預(yù)報(bào)模型的建立提供部分基礎(chǔ)參數(shù)。

4）在野外現(xiàn)場徑流沖刷試驗(yàn)條件下，坡面細(xì)溝侵蝕泥沙來源主要集中于坡面上部，等距分布的均勻植物籬帶對坡面下部細(xì)溝侵蝕的控制效果要大于坡面上部，因此，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，可以將坡面上部作為重點(diǎn)防治部位，植物籬的種植密度或減小植物籬的間距，提高植物籬對坡面侵蝕的防護(hù)效果，該結(jié)論可以為植物籬的實(shí)際配置應(yīng)用提供指導(dǎo)。

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Erosion resistance effects and mechanism of hedgerows in slope of engineering accumulation

Yang Shuai1,2, Gao Zhaoliang1,3※, Li Yonghong3, Niu Yaobin1,3, Wang Kai1, Bai Hao3, Qi Xingyuan3, Li Yutingting3
(1. State Key Laboratory of Soil Erosion and Dryland Farming on the Loess Plateau, Institute of Soil and Water Conservation, Chinese Academy of Sciences and Ministry of Water Resources, Yangling, 712100, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing, 100049, China; 3. Institute of Soil and Water Conservation, Northwest A&F University, Yangling 712100, China)

Engineering accumulation body generated during the process of engineering construction has a unique soil composition and complex underlying surface. This sort of deposit is characterized by weak anti-scour ability attributed to the surface structure of soil loss, loose soil, and plant roots and organic matter deficiency, which may result in the runoff conditions easily causing severe soil erosion. Engineering accumulation body is prone to soil and water loss, which is the emphasis of water and soil conservation in production and construction project. As an effective soil and water conservation measure, hedgerows have been widely used in various types of arable lands. In the present study, hedgerows are adopted to improve the erosion resistance of the slope by runoff scouring tests. The hydrodynamic characteristics are a premise and foundation to understand erosion processes on engineering accumulation body under the condition of hedgerow measure. Thus, a series of studies were conducted for the simulation of runoff erosion process in order to reveal the relationships of main hydrodynamic parameters, such as runoff velocity, depth, flow shear stress, stream power and other relevant parameters, and to explore the erosion control mechanisms of hedgerow on engineering accumulation slope. The study area is located at the Changwu Agricultural Ecological Experimental Station on the Loess Plateau (35°14′24.5″N, 107°40′21.2″E). The established plot was 20 m long and 5 m wide, with 0.5 m thickness of soil generated from slope excavation. There were 3 flow discharges (35, 45, 55 L/min) and 3 slopes (24°, 28°, 32°), and a hedgerow plot was set for each slope and at the same time a bare slope was set as the control; in the hedgerow plot, 4 hedgerows were uniformly arranged from top down. The distance between the highest hedgerow and the upper edge of the slope is 3 m, and the hedgerow spacing is 4 m. A total of 18 field trials were designed in this study. The results showed that the erosion time of the engineering accumulation body focused on the late period of runoff (10-32 min), and the main erosion position was in the middle-upper slope (0-10 m). The cumulative sediment yields of hedgerows plot are reduced by 10%-45% compared to control plot. The relationship between erosion control capability and scouring duration could be stated with quadratic function in which critical time became more early with the increase of slope and flow discharge. In later stage, the sediment concentration in runoff of hedgerows plot exceeded control plot, which could be related to transformation of hedgerows between source and sink. Hedgerows reduce soil detachment rate, increase critical shear stress and critical stream power, and curb rill evolution to develop toward the lower slope. Based on the runoff power, hedgerow slope erodibility (3.58 g/(N·m)) was higher than that of the control surface erodibility parameter (2.83 g/(N·m)). Different slopes and rainfall intensities under the condition of engineering accumulation of hedgerows have good runoff and sediment reduction effect, which may provide a theoretical reference for the rational use of slope protection measures. Meanwhile, fitting the relations between hydrodynamic parameters and soil erosion rate, rill erodibility and critical runoff power can also provide basic parameters for the study on soil erosion on engineering accumulation slope under hedgerow.

soils; erosion; runoff; engineering accumulation; hedgerows; flow discharges

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.15.019

S157.2

A

1002-6819(2017)-15-0147-08

2017-03-29

2017-07-25

國家自然科學(xué)基金：工程堆積體陡坡坡面徑流侵蝕輸沙動力過程試驗(yàn)研究（41671283）；“十三五”重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃：高塬溝壑區(qū)固溝保塬生態(tài)防護(hù)與蘋果產(chǎn)業(yè)提質(zhì)增效技術(shù)及示范（2016YFC0501706-02）

楊 帥，男，山東濰坊人，主要從事工程建設(shè)區(qū)土壤侵蝕與水土保持。楊凌 中國科學(xué)院水利部水土保持研究所，712100。

Email：ys930125@163.com

※通信作者：高照良，男，河南靈寶人，博士，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)水土工程和荒漠化防治。楊凌 西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所，712100。Email：gzl@ms.iswc.ac.cn